城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸的灾害效应 (Ⅰ)：冲击波在地面的传播

杨石刚; 蔡炯炜; 杨亚; 孙文盛; 门敬敏

doi:10.11883/bzycj-2021-0502

城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸的灾害效应 (Ⅰ)：冲击波在地面的传播

doi: 10.11883/bzycj-2021-0502

杨石刚^1,,
蔡炯炜^{1, 2, ,},
杨亚¹,
孙文盛¹,
门敬敏¹

1.
陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏南京 210007
2.
73021部队，浙江杭州 310012

基金项目: 国家重点研发计划（2020YFB2103300）；江苏省自然科学基金（BK20180081）

详细信息

作者简介:
杨石刚（1985－　），男，博士，副教授，youngshg@126.com

通讯作者:
蔡炯炜（1994－　），男，硕士，1348230496@qq.com

中图分类号: O382
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出版历程
- 收稿日期: 2021-12-08
- 修回日期: 2022-05-24
- 网络出版日期: 2022-07-04
- 刊出日期: 2022-10-31

Disaster effects of combustible gas explosion in an urban shallow-buried pipe trench (Ⅰ): shock wave propagation on the ground

1.
State Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation of Explosion and Impact, Army Engineering University of PLA, Nanjing 210007, Jiangsu, China
2.
73021 Troop of PLA, Hangzhou 310012, Zhejiang, China

摘要

摘要: 城市地下浅埋管沟燃气爆炸事故会造成严重的灾害后果，然而目前针对长直空间内的爆炸荷载通过泄爆口向外传播规律的研究较少。以此类事故为基础，基于前期进行的长直泄爆空间可燃气体爆炸试验，利用FLACS软件，对城市地下浅埋管沟内可燃气体爆炸冲击波超压通过泄爆口到达地面后的分布进行了数值模拟，揭示了管沟内燃气爆炸冲击波在地面的传播规律。结果表明：传播到地面的爆炸冲击波会产生2个特征超压峰值Δp₁和Δp₂；Δp₁较小，主要由压缩波引起，Δp₂为最大超压峰值，主要由火焰波引起；Δp₂随着与泄爆口之间的距离d的增大而逐渐减小，且各方向上数值的差异性较大，其中在沿管沟截面的短边方向上，呈对称衰减的趋势；Δp₂与d大致满足指数函数关系，且拟合度均高于98.8%。
- 城市地下管沟 /
- 可燃气体 /
- 爆炸冲击波 /
- 超压峰值
Abstract: The blast shock wave will be transmitted to the ground through the vent as a gas explosion accident occurs in an urban shallowly-buried pipe trench, and cause serious disaster consequences. However, there are few studies on the propagating law of the explosion load outward through the explosion vent in the long and straight space. Thus, it is necessary to reveal the explosion load distribution law on the ground of such accidents. Based on the combustible gas explosion test in the long and straight venting space conducted in the previous period, the applicability of parameters and grid size in FLACS software were verified. Then the FLACS software was used to carry out numerical simulations of the gas explosion process in the urban shallow buried pipe trench. The propagation process of shock wave was divided into three stages: stable stage, Δp₁ stage and Δp₂ stage, and the mechanism of shock wave was analyzed by fuel, flame, flow velocity and density. The results show that the value of Δp₁ is small, mainly caused by compression waves, and Δp₂ is the maximum overpressure peak, mainly caused by flame waves. The characteristics of the overpressure time-history curve were studied. The results show that Δp₁ has smaller differences in each direction than Δp₂, and the wave propagation has obvious directionality in X and Z directions, while symmetrical in the y direction. The attenuation law of shock waves in space was studied and the attenuation formula in each direction was obtained by data fitting. The results show that Δp₂ gradually decreases with the increase of the distance from the venting port, and the value of the value in each direction varies greatly, among which, it shows a symmetrical attenuation trend along the short side of the pipe trench section; Δp₂ and distance roughly satisfy the exponential function relationship, and the fitting degree is above 98.8%.
- urban shallow buried pipe trench /
- gas explosion /
- explosion shock wave /
- peak overpressure

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图 1 管沟试验装置

Figure 1. Pipe trench test device

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图 2 管沟内测点的分布

Figure 2. Distribution of measuring points in the pipe trench

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图 3 网格敏感性测试结果

Figure 3. Grid sensitivity test results

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图 4 浅埋管沟数值模型

Figure 4. The numerical model of the shallow-buried pipe trench

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图 5 浅埋管沟数值模型的网格分布

Figure 5. Grid distribution of a numerical model for the shallowly-buried pipe trench

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图 6 测点的布置

Figure 6. Layout of measuring points

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图 7 超压时程曲线的阶段划分

Figure 7. Stage division of overpressure time-history curves

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图 8 超压二维分布

Figure 8. Two-dimensional distribution of overpressure

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图 9 燃料与燃烧产物的体积分数二维分布

Figure 9. Two-dimensional distribution of fuel and combustion product

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图 10 阶段Ⅱ流场速度矢量

Figure 10. Velocity vectors in the flow field in phase Ⅱ

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图 11 温度二维分布

Figure 11. Two-dimensional distribution of temperature

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图 12 密度二维分布

Figure 12. Two-dimensional distribution of density

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图 13 阶段Ⅲ流场速度矢量

Figure 13. Velocity vectors in the flow field in phase Ⅲ

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图 14 Δp₂的三维分布俯视图

Figure 14. Vertical view of three-dimensional distribution of Δp₂

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图 15 超压时程曲线

Figure 15. Overpressure-time history curves

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图 16 超压峰值Δp₁和Δp₂在X、Y、Z方向的分布

Figure 16. Distribution of 0verpressure peaks Δp₁ and Δp₂ in the X, Y and Z directions

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图 17 到泄爆口不同距离处的超压峰值

Figure 17. Peak overpressures at measuring points with different distances away from the vent

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表 1 管沟可燃气体爆炸工况记录

Table 1. Working condition record of combustible gas explosion in pipe trench

工况	泄爆口位置	顶部泄爆口数目	甲烷体积分数/%
1-A	尾部+顶部	3	7.5
1-B	尾部+顶部	3	8.5
1-C	尾部+顶部	3	9.5
1-D	尾部+顶部	3	10.5
1-E	尾部+顶部	3	11.5
2-C	密闭，无泄爆口	0	9.5
3-C	尾部	0	9.5

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表 2 测点的坐标

Table 2. Coordinates of measuring points

X 轴方向		Y 轴方向		Z 轴方向
测点	坐标/m	测点	坐标/m	测点	坐标/m
X1	（25，0，1）	Y1	（44.5，−10，1）	Z1	（44.5，0，1）
X2	（30，0，1）	Y2	（44.5，−7，1）	Z2	（44.5，0，2）
X3	（35，0，1）	Y3	（44.5，−5，1）	Z3	（44.5，0，3）
X4	（40，0，1）	Y4	（44.5，−4，1）	Z4	（44.5，0，4）
X5	（41，0，1）	Y5	（44.5，−3，1）	Z5	（44.5，0，5）
X6	（42，0，1）	Y6	（44.5，−2，1）	Z6	（44.5，0，6）
X7	（43，0，1）	Y7	（44.5，−1，1）	Z7	（44.5，0，7）
X8	（46，0，1）	Y8	（44.5，1，1）	Z8	（44.5，0，8）
X9	（47，0，1）	Y9	（44.5，2，1）	Z9	（44.5，0，9）
X10	（48，0，1）	Y10	（44.5，3，1）	Z10	（44.5，0，10）
X11	（49，0，1）	Y11	（44.5，4，1）	Z11	（44.5，0，11）
X12	（54，0，1）	Y12	（44.5，5，1）	Z12	（44.5，0，13）
X13	（59，0，1）	Y12	（44.5，7，1）	Z12	（44.5，0，16）
X14	（64，0，1）	Y12	（44.5，10，1）	Z12	（44.5，0，20）

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参考文献(20)

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